CN114487545B - 电流传感器、电子设备及检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电流传感器、电子设备及检测装置，所述电流传感器包括检测线路和传感组件，所述检测线路用于与芯片的待检测的电路导通，所述传感组件包括形成于所述芯片上的多个磁阻单元，各磁阻单元的钉扎层的磁化方向沿其厚度方向设置，多个所述磁阻单元中的至少两个磁阻单元连接形成半桥电路，其中，所述检测线路至少包括并联设置、且分别绕设于两个所述磁阻单元周侧的第一检测段和第二检测段，所述第一检测段产生第一感应磁场，所述第二检测段产生第二感应磁场，流经所述第一检测段和流经所述第二检测段的电流的螺旋方向呈反向设置，以使得所述第一感应磁场与所述第二感应磁场相反。

Description

电流传感器、电子设备及检测装置

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及电流传感器、电子设备及检测装置。

背景技术

在新能源汽车领域，电流检测是芯片可靠性测试中非常重要的环节。内测试使用内建自测技术(Built-In-Self-Test，BIST)是在被测电路(Circuit Under Test，CUT)和电源之间集成内置电流传感器(Built-In-Current-Sensor,，BICS)，对流过被测电路的电流进行处理分析，便能得出被测电路的缺陷信息，常见的内置电流传感器中，磁阻传感器的感应方向在其平面内。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种电流传感器、电子设备及检测装置，基于隧穿磁阻效应，提供一种宽量程的电流传感器。

为实现上述目的，本发明提出一种电流传感器，包括：

检测线路，用于与芯片的待检测的电路导通；以及，

传感组件，所述传感组件包括形成于所述芯片上的多个磁阻单元，各所述磁阻单元的钉扎层的磁化方向沿其厚度方向设置，多个所述磁阻单元中的至少两个磁阻单元连接形成半桥电路；

其中，所述检测线路至少包括并联设置、且分别绕设于两个所述磁阻单元周侧的第一检测段和第二检测段，所述第一检测段产生第一感应磁场，所述第二检测段产生第二感应磁场，流经所述第一检测段和流经所述第二检测段的电流的螺旋方向呈反向设置，以使得所述第一感应磁场与所述第二感应磁场相反。

可选地，所述传感组件包括四个磁阻单元，四个所述磁阻单元连接形成全桥电路；

所述检测线路包括两个第一检测线路，各所述第一检测线路均具有所述第一检测段和所述第二检测段，以绕设对应的所述磁阻单元设置。

可选地，多个所述磁阻单元在同一直线上排布。

可选地，两个所述第一检测线路串联设置；或者，

两个所述第一检测线路并联设置。

可选地，所述传感组件包括四个磁阻单元，四个所述磁阻单元连接形成全桥电路；

所述第一检测段设有两个且彼此串联设置，两个所述第一检测段分别绕设其中两个所述磁阻单元，对应产生的两个所述第一感应磁场的磁场方向相反；

所述第二检测段设有两个且彼此串联设置，两个所述第二检测段分别绕设其中两个所述磁阻单元，对应产生的两个所述第二感应磁场的磁场方向相反。

可选地，至少一所述磁阻单元包括多个依次串联的磁隧道结；和/或，

至少一所述磁阻单元包括多个并联设置的磁隧道结单元，每一所述磁隧道结单元包括依次串联的多个磁隧道结。

可选地，所述检测线路绕设在各所述磁隧道结的周侧。

可选地，所述检测线路绕设在多个所述磁隧道结单元所组成的阵列的周侧。

可选地，所述检测线路与各所述磁阻单元的顶电极设于同一平面。

本发明还提出一种电子设备，包括上述的电流传感器，所述电流传感器至少包括：

检测线路，用于与芯片的待检测的电路导通；以及，

传感组件，所述传感组件包括形成于所述芯片上的多个磁阻单元，各磁阻单元的钉扎层的磁化方向沿其厚度方向设置，多个所述磁阻单元中的至少两个磁阻单元连接形成半桥电路；

其中，所述检测线路至少包括并联设置、且分别绕设于两个所述磁阻单元周侧的第一检测段和第二检测段，所述第一检测段产生第一感应磁场，所述第二检测段产生第二感应磁场，流经所述第一检测段和流经所述第二检测段的电流的螺旋方向呈反向设置，以使得所述第一感应磁场与所述第二感应磁场相反。

本发明还提出一种检测装置，包括上述的电流传感器，所述电流传感器至少包括：

检测线路，用于与芯片的待检测的电路导通；以及，

传感组件，所述传感组件包括形成于所述芯片上的多个磁阻单元，各所述磁阻单元的钉扎层的磁化方向沿其厚度方向设置，多个所述磁阻单元中的至少两个磁阻单元连接形成半桥电路；

其中，所述检测线路至少包括并联设置、且分别绕设于两个所述磁阻单元周侧的第一检测段和第二检测段，所述第一检测段产生第一感应磁场，所述第二检测段产生第二感应磁场，流经所述第一检测段和流经所述第二检测段的电流的螺旋方向呈反向设置，以使得所述第一感应磁场与所述第二感应磁场相反。

本发明的技术方案中，所述检测线路内通入的电流为待测电流，各所述磁阻单元的阻值已知，根据右手定则，当待测电流通过所述检测线路，在各所述磁阻单元组成的电桥结构中，对应在各所述磁阻单元上产生垂直于多个所述磁阻单元设置平面的磁场，该磁场会影响对应的所述磁阻单元的电阻值，根据所述检测线路的绕线方式，所述第一检测段和所述第二检测段对应产生的第一感应磁场和第二感应磁场的方向相反，从而使在其中的所述磁阻单元分别呈现出高阻态和低阻态，在此时，通过读取该电桥结构的输出电压的变化，判断对应的磁场大小以及推导出待测电流的大小。该结构下，所述检测线路设计并联的所述第一检测段和所述第二检测段，从而在待测电流通入后可以感知更宽范围的电路量，从而具有更大的量程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明提供的电流传感器第一实施例的示意图；

图2为图1中电流传感器的磁场方向示意图；

图3为图1中磁阻单元一实施例的示意图；

图4为图1中磁阻单元另一实施例的示意图；

图5为图1中磁阻单元中磁隧道结的示意图；

图6为本发明提供的电流传感器第二实施例的示意图；

图7为本发明提供的电流传感器第三实施例的示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	电流传感器	21	第一检测线路
11	磁阻单元	211	第一检测段
				111	磁隧道结	212	第二检测段
2	检测线路

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

在新能源汽车领域，电流检测是芯片可靠性测试中非常重要的环节，尤其是动力电池和驱动电机等场景，需要用到宽量程、高精度的微型电流传感器，实时在线监测其电流的变化，进而判断工作状态。电流检测有片内和片外两种方式，相较于片外测试，片内测试是更高效、可靠的方法。片内测试使用内建自测技术(Built-In-Self-Test，BIST)，在被测电路(Circuit Under Test，CUT)和电源之间集成内置电流传感器(Built-In-Current-Sensor，BICS)，对流过被测电路的电流进行处理分析，便能得出被测电路的缺陷信息。其中，在各类内置电流传感器BICS中，基于巨磁阻(Giant Magnetoresistance，GMR)或隧穿磁阻效应(Tunneling Magnetoresistance，TMR)的电流传感器得益于高灵敏度、小体积、低功耗和兼容互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-SemiconductorTransistor，CMOS)技术等优点，极具应用价值。这类磁阻传感器通过测量电流产生的磁场来检测电流大小。

鉴于此，本发明提供一种电流传感器，基于隧穿磁阻效应，通过测量电流产生的磁场来检测电流大小。图1至图7为本发明提供的电流传感器的实施例的示意图。

请参照图1至图2，电流传感器100包括检测线路2和传感组件，所述检测线路2用于与芯片的待检测的电路导通，所述传感组件包括形成于所述芯片上的多个磁阻单元11，各所述磁阻单元11的钉扎层的磁化方向沿其厚度方向设置，多个所述磁阻单元11中的至少两个磁阻单元11连接形成半桥电路，其中，所述检测线路2至少包括并联设置、且分别绕设于两个所述磁阻单元11周侧的第一检测段211和第二检测段212，所述第一检测段211产生第一感应磁场，所述第二检测段212产生第二感应磁场，流经所述第一检测段211和流经所述第二检测段212的电流的螺旋方向呈反向设置，以使得所述第一感应磁场与所述第二感应磁场相反。

本发明的技术方案中，所述检测线路2内通入的电流为待测电流，各所述磁阻单元11的阻值已知，根据右手定则，当待测电流通过所述检测线路2，在各所述磁阻单元11组成的电桥结构中，对应在各所述磁阻单元11上产生垂直于多个所述磁阻单元11设置平面的磁场，该磁场会影响对应的所述磁阻单元11的电阻值，根据所述检测线路2的绕线方式，所述第一检测段211和所述第二检测段212对应产生的第一感应磁场和第二感应磁场的方向相反，从而使在其中的所述磁阻单元11分别呈现出高阻态和低阻态，在此时，通过读取该电桥结构的输出电压的变化，判断对应的磁场大小以及推导出待测电流的大小。该结构下，所述检测线路2设计并联的所述第一检测段211和所述第二检测段212，从而在待测电流通入后可以感知更宽范围的电路量，从而具有更大的量程。

本发明不限制各所述磁阻单元11的组成，一实施例中，至少一所述磁阻单元11包括多个依次串联的磁隧道结111，另一实施例中，至少一所述磁阻单元11包括多个并联设置的磁隧道结单元，每一所述磁隧道结单元包括依次串联的多个磁隧道结111，其他实施例中，各所述磁阻单元11分别由多个所述磁隧道结111串联和/或并联构成，即每个所述磁阻单元11可以由单个磁隧道结111构成，也可以由多个磁隧道结111串和/或并联构成。具体根据当前的电流传感器100的设计量程进行合理规划，各所述磁阻单元11的结构组成可以相同也可以不同，本实施例中各所述磁阻单元11的组成相同，使得多个所述磁阻单元11具有良好的一致性，便于计算和分析比对。

进一步的，本发明不限制所述第一检测段211、所述第二检测段212与各所述磁隧道结111的绕设方式，在一实施例中，请参照图3，所述检测线路2绕设在各所述磁隧道结111的周侧，在另一实施例中，请参照图4，所述检测线路2绕设在多个所述磁隧道结单元所组成的阵列的周侧。两种绕设方式均可实现其功能，相比较而言，所述检测线路2绕设在各所述磁隧道结111的周侧的方式加工难度大，对精度要求更高，加工耗费时间更长。

更进一步的，本发明的实施例中所述磁隧道结111的基本膜层结构如图5所示，包括依次排布种子层、反铁磁层或合成反铁磁层、钉扎层、隧穿层、自由层及覆盖层等。其中所述钉扎层的方向被其下方的反铁磁层或合成反铁磁层钉扎在垂直于薄膜平面的方向，所述自由层的磁矩方向可随垂直的外磁场转动，与所述钉扎层的磁矩方向形成一定夹角，所述隧穿层起到分隔的作用，电子穿过所述隧穿层运动产生隧穿效应，所述覆盖层为一个保护层，防止氧化，所述衬底为制作基底，所述种子层用以改善所述衬底的粗糙度，使得其表面更加的平整，从而提供一个与上述起到功能作用的层结构更加匹配的晶格结构，达到晶格匹配，所述钉扎层的磁矩方向固定且沿指向垂直于所在平面方向，所述自由层的磁矩方向受对应的磁场力的作用可相对转动，以与所述钉扎层的磁矩方向之间形成夹角。各所述磁阻单元11都是由具有垂直磁各向异性的磁隧道结构成的，从而在所述检测线路2配合产生的垂直平面方向的磁场的影响下发生变化，从而与所述钉扎层的磁矩方向之间的夹角发生变化，从而造成电阻值的变化。该结构下所述电流传感器100存储密度和可靠性都相较于常规设计有所提高。

需要说明的是，电阻值随着所述自由层与所述钉扎层磁化方向夹角的变化而变化，当所述自由层的磁矩方向与所述钉扎层磁矩方向相同时，为低阻态，当所述由层的磁矩方向与所述钉扎层磁矩方向相反时，为高阻态。

不仅如此，本发明的一实施例中，所述检测线路2与各所述磁阻单元11的顶电极设于同一平面，即在加工时，可以将所述检测线路2与对应的所述磁隧道结111的顶电极集成在电路版图的同一层，如此设置简化了工艺步骤，同时减小了所述检测线路2与磁阻单元11的间距，需要说明的是，可以通过光刻、蒸镀等步骤同时实现顶电极和所述检测线路2的加工制备。

需要说明的是，本发明中只需要使得所述检测线路2产生的磁场影响部分所述磁阻单元11的阻态即可。在一实施例中，所述传感组件包括四个磁阻单元11，四个所述磁阻单元11连接形成全桥电路，所述检测线路2包括两个第一检测线路21，各所述第一检测线路21均具有所述第一检测段211和所述第二检测段212，以绕设对应的所述磁阻单元11设置。即四个所述磁阻单元11分别受到两个所述第一感应磁场和两个所述第二感应磁场的影响而使其变化成两个高阻态和两个低阻态。

进一步的，请参照图2，两个所述第一检测线路21并联设置，电流输入进所述检测线路2时第一次分流进入两个所述第一检测线路21中，接着在各所述第一检测线路21中进行第二次分流进入对应的所述第一检测段211和所述第二检测段212中，此结构状态下，同一所述第一检测线路21上的两个所述磁阻单元11的周侧环绕的所述第一检测段211和所述第二检测段212均呈圆弧状，且圆弧的开口呈相对设置，当向所述检测线路2通入待测电流后，通过读取电桥输出电压的变化，便可推导出待测电流的大小。

在另一实施例中，请参照图7，两个所述第一检测线路21串联设置，通入待测电流后，每一所述第一检测线路21中对应形成两个方向相反的磁场，使得每一所述第一检测线路21中的所述第一检测段211和所述第二检测段212对应绕设的两个磁阻单元11的阻态呈高低变化。

在其他实施例中，请参照图6，所述传感组件包括四个磁阻单元11，四个所述磁阻单元11连接形成全桥电路，所述第一检测段211设有两个且串联设置，两个所述第一检测段211分别绕设其中两个所述磁阻单元11，对应产生的两个第一感应磁场的磁场方向相反，所述第二检测段212设有两个且串联设置，两个所述第二检测段212分别绕设其中两个所述磁阻单元11，对应产生的两个第二感应磁场的磁场方向相反。此时，通入待测电流后，经过一次分流进入两个支路，每一支路上的所述第一检测段211和所述第二检测段212不分流，但是需要注意同一支路上的两个所述第一检测段211或者两个所述第二检测段212在对应的两个所述磁阻单元11周侧的绕设方向，需要保证两个所述第一检测段211对应两个所述磁阻单元11绕设形成的圆弧状的开口呈相对设置，如此才能绕着两个所述磁阻单元11相背离的侧边环绕形成两个相反方向的感应磁场。

不仅如此，在其他实施例中，设置所述第一检测段211和所述第二检测段212分别设置两个，且均并联设置，彼此交错，沿各所述第一检测段211和各所述第二检测段212的排布方向上，相邻的所述第一检测段211和所述第二检测段212在对应的所述磁阻单元11上形成的感应磁场方向相反，从而使得四个所述磁阻单元11分别呈高、低阻态分布。

本实施例中，请再次参照图2，四个所述磁阻单元11在一直线上排布，该直线与所述检测线路2中电流的流通方向正交。如此便于多个所述磁阻单元11本身的接线排布，有利于小型化的设计。

现有的内置电流传感器中，需要将检测线路分布在磁阻单元的顶部，用来产生在磁阻单元平面内的待测磁场，因此需要添加一定厚度的绝缘层，如氧化硅或氮化硅等，将检测线路与磁阻单元隔绝开，待测电流产生的待测磁场随着检测线路与磁阻单元的距离增加而大幅度降低。本发明提出的使用垂直磁隧道结制作电流传感器100，所述检测线路2沿所述磁隧道结111呈环形分布，因此在微纳加工时，可以不使用绝缘层，直接将所述检测线路2与对应的所述磁隧道结111的顶电极集成在版图的同一层，简化了工艺步骤，同时减小了所述检测线路2与所述磁阻单元11的间距，所述磁阻单元11上的待测磁场相对于现有方案得到提升。

本发明的技术方案中，环绕设置的所述检测线路2和四个所述磁阻单元11共同构成惠斯通全桥式电流传感器。环绕在各所述磁阻单元11周围的所述第一检测段211或者所述第二检测段212在通入待测电流后产生垂直于平面方向的磁场，不同电流环绕方向产生相反方向的感应磁场，从而影响具有垂直磁各向异性的磁隧道结111中的所述自由层的磁矩方向，使该所述磁阻单元11的阻态发生变化，造成输出的电压发生变化，从而形成一种内置、宽量程、高精度的微型电流传感器100。并且，随着磁隧道结111的尺寸微缩，环绕设置的检测线路2的半径以及其与磁隧道结111之间的距离也可进一步缩小，待测电流所产生的的磁场也将进一步增大，提升了电流传感器100的灵敏度，实现小至微安培甚至纳安培的电流检测。此电流传感器100设计可以实现宽量程、高精度的应用，可以通过调节所述检测线路2的宽度、半径、与磁阻单元11的距离等参数，实现大电流检测，可以用作新能源汽车电池电流的检测等，适用范围广。

本发明还提供一种电子设备，包括上述的电流传感器100，所述电子设备包括上述的电流传感器100的全部技术特征，因此，也具有上述全部技术特征带来的技术效果，此处不再一一赘述。

本发明还提供一种检测装置，包括上述的电流传感器100，所述检测装置包括上述的电流传感器100的全部技术特征，因此，也具有上述全部技术特征带来的技术效果，此处不再一一赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种电流传感器，其特征在于，包括：

检测线路，用于与芯片的待检测的电路导通；以及，

传感组件，所述传感组件包括形成于所述芯片上的多个磁阻单元，各所述磁阻单元的钉扎层的磁化方向沿其厚度方向设置，多个所述磁阻单元中的至少两个磁阻单元连接形成半桥电路；每个所述磁阻单元由单个垂直磁隧道结构成，或由多个垂直磁隧道结串联和/或并联构成；

其中，所述检测线路至少包括并联设置、且分别绕设于两个所述磁阻单元周侧的第一检测段和第二检测段，所述第一检测段产生第一感应磁场，所述第二检测段产生第二感应磁场，流经所述第一检测段和流经所述第二检测段的电流的螺旋方向呈反向设置，以使得所述第一感应磁场与所述第二感应磁场相反。

2.如权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述传感组件包括四个磁阻单元，四个所述磁阻单元连接形成全桥电路；

所述检测线路包括两个第一检测线路，各所述第一检测线路均具有所述第一检测段和所述第二检测段，以绕设对应的所述磁阻单元设置。

3.如权利要求1或2所述的电流传感器，其特征在于，多个所述磁阻单元在同一直线上排布。

4.如权利要求2所述的电流传感器，其特征在于，两个所述第一检测线路串联设置；或者，

两个所述第一检测线路并联设置。

5.如权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述传感组件包括四个磁阻单元，四个所述磁阻单元连接形成全桥电路；

所述第一检测段设有两个且彼此串联设置，两个所述第一检测段分别绕设其中两个所述磁阻单元，对应产生的两个所述第一感应磁场的磁场方向相反；

所述第二检测段设有两个且彼此串联设置，两个所述第二检测段分别绕设其中两个所述磁阻单元，对应产生的两个所述第二感应磁场的磁场方向相反。

6.如权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，至少一所述磁阻单元包括多个并联设置的磁隧道结单元，每一所述磁隧道结单元包括依次串联的多个磁隧道结。

7.如权利要求6所述的电流传感器，其特征在于，所述检测线路绕设在各所述磁隧道结的周侧。

8.如权利要求6所述的电流传感器，其特征在于，所述检测线路绕设在多个所述磁隧道结单元所组成的阵列的周侧。

9.如权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述检测线路与各所述磁阻单元的顶电极设于同一平面。

10.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1至9中任意一项所述的电流传感器。

11.一种检测装置，其特征在于，包括如权利要求1至9中任意一项所述的电流传感器。